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Die
Erfindung betrifft ein Probenahmeventil zur Entnahme von Proben
enthaltend mechanisch empfindliches Material aus einem Reaktor sowie
ein Prozessanalysesystem mit Analysestationen insbesondere Chromatographiesysteme,
Biosensoren, Zellbestimmungsgeräte,
das eine automatisierte, sterile Entnahme einer Probe aus einem
Reaktor und schonenden Transport der Probe enthaltend mechanisch
empfindliches Material insbesondere Zellen zur Analysestation ermöglicht.
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Die
sterile Probennahme ist eine Standardprozedur bei Fermentationsprozessen.
Sie ist der erste Arbeitsschritt auf dem Weg zur Probenanalyse, um
den Zustand und die Qualität
eines Bioprozesses und besonders der daraus hervorgehenden Produkte festzustellen
bzw. nachzuweisen. Hierzu ist es bislang in vielen Fällen erforderlich,
dass ein Laborant manuell eine Probe entnimmt. Nach der Probenauslieferung
an eine zentrale Analysenstation erfolgen eine Probenvorbereitung,
d. h. die Biomasseabtrennung und Aliquotierung, und schließlich die
Analyse auf mehreren unterschiedlichen Analysegeräten. Die Analysenergebnisse
werden zur Dokumentation der Produktqualität ausgedruckt und manuell in
Datenbanken eingegeben und festgehalten. Außerdem werden entsprechend
gekennzeichnete Rückstellmuster
für spätere Nachweisverfahren
bei tiefen Temperaturen eingelagert. Die Analyseergebnisse werden
in der Qualitätssicherung
geprüft,
um das bei einem Bioprozess gewonnene Produkt freizugeben oder aufgrund
von Qualitätsmängeln zu
verwerfen. All diese Schritte sind sehr personalintensiv und verursachen
demzufolge hohe Kosten. Die Steuerung und Regelung des Prozesses
im Reaktor erfolgt üblicherweise
nach manueller Eingabe der gewonnenen Analyseergebnisse. Eine komplette
Automatisierung der Prozesssteuerung und Regelung ist daher nicht möglich.
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Zur
Reduzierung des Personalbedarfes sind inzwischen auf dem Markt zahlreiche
automatisierbare Einzelkomponenten, z.B. sterile Probeentnahmevorrichtungen,
Pipettiersysteme und Analyseautomaten verfügbar. Eine vollständige Automatisierung
der Probenentnahme und -analyse scheitert jedoch am bisher ausschließlich durch
Personaleinsatz durchführbaren
Probentransport von der Produktionsstätte in ein separates Labor
für die
Qualitätskontrolle
und dem dadurch hervorgerufenen Bruch in der Automatisierungskette.
Desweiteren erhält
man bei einer Laboranalyse keine zeitnahen Informationen, welche eine
Steuerung des Prozesses erlauben würden.
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Eine
automatische Prozessanalyse, -steuerung und -regelung – insbesondere
durch Prozesschromatographie – in
der Chemie und im Polymerbereich, wo keine besonderen Anforderungen
an Sterilität
gestellt werden, ist in
EP
1439472 A1 beschrieben. Die beschriebene Lösung erfüllt die
Anforderungen der Behandlung von mechanisch empfindlichem Material
insbesondere biologischem Material und insbesondere von lebendigen
Zellen nicht. Das beschriebene Prozessanalysesystem ist für die meisten Bioapplikationen
ungeeignet.
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Eine
Prozesschromatographie für
Bioapplikationen ist in
US
2004259241 A1 (Firma Groton Biosystems) beschrieben. Die
beschriebene Vorrichtung zur Probenahme ist auf Bioreaktoren im
Labormaßstab
beschränkt,
da nicht mit Dampf sterilisierbar, was in der Produktion die übliche Sterilisationsmethode
ist. Ferner bietet die Firma Dionex Corporation den Prozess-Chromatographen
DX-800 (Produktbroschüre „DX-800
Process Analyser, Process Analytical Liquid Chromatography") an, der zur Prozesskontrolle
von Bioapplikationen betrieben werden kann. Dieses System bietet
eine automatisierte Chromatographie aber kein Probenahme an, das
höchsten
sterilen Anforderungen der Sterilisationstechnik an Bioreaktoren
entspricht. Dieses System ist darüber hinaus auf die Analyse
zellfreier Medien begrenzt. Beide Systeme sind auf die Bestimmung
von mehreren Parametern konzipiert. Sie bieten jedoch keine integrierte
Lösung
einer Probenahme, insbesondere von scherempfindliches Material wie
z.B. Zellen und auch keine Steuerung und Regelung eines Bioprozesses über die
gewonnenen Daten, da wichtige Automatisierungseinheiten zur Anbindung an
ein Prozessleitsystem fehlen.
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Ein
weiterer gemeinsamer Nachteil der beiden zuletzt beschriebenen Systeme
für biotechnologische
Applikationen ist neben der fehlenden Möglichkeit der Dampfsterilisation
die Einschränkung, dass
diese nur für
die Probenvorbereitung für
eine spezielle Bio-Chromatographie geeignet sind. Solche Systeme
sind nicht flexibel auch für
andere Analyseverfahren einsetzbar, sondern ausschließlich für die jeweils
beschriebene Bio-Chromatographie verwendbar.
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Probenahmevorrichtungen
und insbesondere Probenahmeventile für Bioprozesse zur Entnahme von
biologischem Material und insbesondere Zellen sind als Stand der
Technik bekannt und einige sogar kommerziell erhältlich. z.B. WO 1990012972
A1 von der Firma Keofitt a/s beschreibt ein Probenahmeventil, das
aus zwei Teilen – einem
Ventilkörper,
und einem Ventilkopf – besteht.
Innerhalb des Ventilkörpers sind
zwei Anschlüsse
durch einen ringförmigen
Kanal um eine Gummimembran verbunden. Diese Konstruktion ermöglicht es,
das Ventil vor und nach der Verwendung zu sterilisieren. WO 2004044119
A1 von der Sartorius BBI Systems GmbH beschreibt ein kühlbares
Probenahmeventil mit einem zylindrischen Strömungskanal und einen Stößel zur
Sperrung der Strömungskanal,
wobei die Wände
des Probenahmeventils aus einem Material geringerer Stärke üblicherweise
aus Metall, insbesondere Edelstahl sind, um eine schnelle Kühlung des
Ventils z.B. nach einer Dampfsterilisation zu ermöglichen.
WO 1990012972 A1 und WO 2004044119 A1 beschreiben den Transport
der entnommenen Probe nicht. Nachteil der beiden o. g. Probenahmeventile
aus WO 1990012972 A1 und WO 2004044119 A1 ist, dass beide Metall-Metall-Berührungsschnittstelle
zwischen dem Kopf des Probenahmeventils und dem Bioreaktor aufwei sen,
die bei einer Dampfsterilisation des Probenahmeventils eine lokale
Erwärmung
des Mediums im Bioreaktor verursacht, so dass am Ort der Probenahme
vermehrt Zellenaggregate auftreten können (so genanntes Biofouling).
Solche Aggregate, die auch im Normalbetrieb eines Bioreaktors entstehen,
können
beim Öffnen
der beschriebebenen Probenahmeventile aufgewirbelt werden und in
das Ventil gelangen. Um Verstopfungen zu vermeiden, sind deshalb
für den
Transport der entnommenen Zellsuspension Transportleitungen mit
relativ großen Durchmessern
nötig.
Außerdem
wird das Volumen der Probe ausschließlich durch die Einstellung
der Öffnungszeit
des Probenahmeventils bestimmt. Die Lösung ermöglicht die präzise Aufnahme
eines vordefinierten Volumens und insbesondere eines kleinen Volumens
nicht. Darüberhinaus
ist bisher kein Probentransport eines kleinen zellhaltigen Volumens über eine
längere
Strecke bekannt, ohne dass bei dem Transport diese Probe z.B. durch
Sedimentation beim Transport bzw. Zerstörung von Zellen durch Scherung
weiter verfälscht
wird.
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Es
bestand daher Bedarf, ein automatisches flexibles Prozessanalysesystem
zur Steuerung und Regelung von Bioprozessen mit integrierter Anbindung
an Automatisierungssysteme bereitzustellen, das eine Probenahme,
schonenden Probetransport und Probevorbereitung kleiner Probevolumina,
die mechanisch empfindliches Material wie biologisches Material
und insbesondere lebendige Zeilen enthalten, ermöglicht, in das eine klassischen
Biochromatographie und/oder weitere Analysatoren integriert werden
können.
Das Prozessanalysesystem sollte unter sterilen Bedingungen betrieben
werden können
und Ventile und Transportleitungen sollten möglichst mit Dampf sterilisierbar
sein, ohne eine Erwärmung
des Reaktormediums zu verursachen.
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Ein
erster Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Probenahmeventil,
das eine Probe eines definierten Volumens insbesondere von biologischem
Material und insbesondere lebendiges Zellmaterial unter reduzierter
mechanischer Beanspruchung insbesondere durch Scherkräfte entnehmen kann.
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Eine
besondere Ausführungsform
des Probenahmeventils weist eine vorzugsweise zylindrische Probenkammer
definieren Volumens begrenzt durch ein vorderes und ein hinteres
Dichtelement auf. Üblicherweise
wird das vordere Dichtelement durch eine Verbindungswelle betätigt. Vorzugsweise
gleichzeitig werden das vordere Dichtelement in Richtung des Innenraums
des Bioreaktors geöffnet
und das hintere Dichtelement mit gegen die Probenkammer verschlossen.
In diesem geöffneten
Ventilzustand entweicht die in der Probenkammer eingeschlossene Luftblase
in den Reaktor, wobei eine Probe definierten Volumens aus dem Bioreaktor
in die Probenkammer einströmt.
Das hintere Dichtelement begrenzt das Volumen der Probenahme und
ermöglicht
die Entnahme eines definierten Volumens. Die Verschlusskraft kann
durch Vorspannung einer Feder, bevorzugt einer Spiralfeder, von
einer Druckplatte über
eine Verbindungsstange auf das hintere Dichtelement übertragen
werden, das über
Flächenpressung
mittels einer Abdichtvorrichtung, bevorzugt eines O-Rings, gegen
einen Ventilschaft abdichtet. Die Vorspannung wird üblicherweise
auf einen Differenzdruck zwischen Probenkammer und Reaktor von mindestens
+1.5 bar eingestellt. Unterdruck oder Vakuum im Bioreaktor führt bei
der genannten Federvorspannung damit ebenso wenig zu einer unbeabsichtigten
Ventilöffnung
wie ein gegenüber
dem Außendruck
erhöhter
Innendruck im Reaktor (z.B. beim Autoklavieren), der bei gleicher
Kraftrichtung die Verschlusskraft zusätzlich verstärken kann.
Das Probenahmeventil wird vorzugsweise durch Betätigung eines Hubzylinders geöffnet. Nach
Entlasten des Hubzylinders über
eine Ansteuerung, das pneumatisch (Ansteuerung über Druckluft) oder elektrisch
(über einen
Impuls) bevorzugt pneumatisch erfolgen kann, schließt das Ventil
in Sekundenbruchteilen nach der Erteilung des Schließungsbefehls,
diese geringe Verzögerung
sichert das genaue Volumen der Probe. Zur sicheren Positionierung
der Dichtflächen
kann eine auf der Verbindungswelle montierte Führungstange dienen. Bei der Öffnung des
Probenahmeventils wird eine gegen die Rückstellkraft der Feder gerichtete
Druckkraft auf die Führungsstange übertragen.
Auf dieser Führungsstange
wird üblicherweise eine
Membran angebracht, welche zwischen zwei Halteplatten eingequetscht
festgehalten werden kann. Die Druckkraft auf die Führungsstange
führt zur
Auslenkung der Membran, die die Probenkammer und einen hinteren
Ventilinnenraum hermetisch gegen die Umgebung abdichtet. Vorzugsweise
besitzt der hintere Ventilinnenraum zur Verringerung der Membranbelastung
einen gegenüber
der Probenkammer vergrößerten Durchmesser.
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In
einer besonderen Ausführungsform
der Erfindung wird das Probenahmeventil am Sondenkopf (der Öffnung zum
Reaktor) von einem selbstreinigenden Filter geschützt, so
dass keine größeren Aggregate
in die Probenkammer und in die Transportleitung gelangen können. Die
Weite der Poren dieses Filters beträgt üblicherweise 0,02 μm bis 2 mm
vorzugsweise jedoch 0,45 μm
bis 1 mm. In einer besonderen Ausführungsform des Probenahmeventils
weist das Filter einen Hohlraum auf, die von einer Kappe um das
vordere Dichtelement herum, im geschlossenen Zustand von innen gefüllt wird
d. h. die Poren werden durch die Kappe von innen verschlossen. Die
Kappe wird im geöffneten
Zustand in Richtung des Reaktors herausgefahren, so dass sich ein geöffneter
Bereich bildet.
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Die
Membran besteht vorzugsweise aus einem Material, welches gegenüber Wasserdampf
beständig
ist, bevorzugt EPDM, Silicone, HNBR bzw. PFR-Kunststoffe. Der Sondenkopf
besteht vorzugsweise aus einem für
pharmazeutische Applikationen zugelassenen Kunststoff, bevorzugt
aus PVDF, PEEK bzw. POM, welcher eine geringere Wärmeleitfähigkeit
als Edelstahl besitzt und an dem Zellen besonders schlecht haften
bleiben. So besteht keine Metall-Metall-Berührungsschnittstelle mit dem
angeschlossenen Bioreaktor, so dass eine lokale Erwärmung des
Bioreaktors und Foulingschichten auf der Abdichtvorrichtung, welche
bevorzugt ein O-Ring ist, während
des Reinigungsprozesses z.B. bei einer Dampfsterilisierung vermieden
werden kann.
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Für häufige Probenahme
ist ein kleines Entnahmevolumen unerlässlich. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Probenahmeventils
können
exakt definierte Entnahmevolumina von 2 mL bis 200 mL, bevorzugt
zwischen 5 mL und 20 mL entnommen werden.
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Das
erfindungsgemäße Probenahmeventil wird üblicherweise
analog zu Standardsonden z.B. mit Hilfe einer Verschraubung in genormte
Fermenterstutzen eingebaut, bevorzugt mit dem Durchmesser von DN25, üblicherweise
mit Hilfe einer Abdichtvorrichtung, bevorzugt mit einem so genannter O-Ring.
Zur Verbesserung des Ablaufverhaltens der Probe und der zu einem
späteren
Zeitpunkt aufzugebenden Reinigungsflüssigkeiten ist ein abwärts geneigter
Einbau des Probenahmeventils an die Bioreaktorwand vorteilhaft.
Günstige
Einbauwinkel liegen zwischen 0° und
90° zur
Waagrechten, bevorzugt zwischen 1° und
15°.
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In
einer weiteren bevorzugen Ausführungsform
des Ventils kann die zylindrische Probenkammer selbst gegen die
Stutzenachse geneigt angebracht werden, bevorzugt zwischen 1° und 15° zur Waagrechten.
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Das
erfindungsgemäße Probenahmeventil kann
bei Bedarf temperiert werden, vorzugsweise wird hierfür das Probenahmeventil
ummantelt und mit einem Peltier-Element temperiert.
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Nach
dem Schließen
des Ventils wird der Weg zu einer angeschlossenen Transportleitung
freigegeben. Die Probe wird anschließend als weitgehend zusammenhängender
Pfropfen zum Zielort, z.B. einer Probenvorbereitungs- und/oder -analysestation,
transportiert. Zum Probentransport werden üblicherweise Gas bzw. Flüssigkeit über eine
Zugabeöffnung
und einen Kanal eingeleitet und verdrängen dabei langsam die Probe
aus der Probenkammer in einen hinteren Ventilinnenraum und zu einem
Ablaufstutzen. Die Zugabeöffnung
kann über
ein Ventil, bevorzugt ein Rückschlagventil,
geschützt
werden.
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Das
Probenahmeventil wird üblicherweise an
Transport- und Versorgungsleitungen, insbesondere Reinigungsleitungen,
gekoppelt. Die Ankopplung erfolgt vorzugsweise durch autoklavier-
und dampfsterilisierbare Schnellverschlusskupplungen, die im entkoppelten
Zustand über
einen Schließmechanismus
verfügen,
der die sterilen Innenflächen der
beiden Kupplungsstücke
vor Kontamination schützt.
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Nach
einer besonderen Ausführungsform der
Erfindung ist zwischen dem Probenahmeventil und der Transportleitung
ein Hahn integriert, bevorzugt ein Dreiwegehahn, mit dem eine Probe
manu ell entnommen werden kann, der vorzugsweise einer Kontrolleinheit
verfügt
und dezentral angesteuert werden kann.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Prozessanalysesystem,
dass mindestens eine Vorrichtung zur Entnahme einer Probe aus einem
Reaktor, eine Probetransportvorrichtung und mindestens eine Probenanalysestation
aufweist, welches ermöglicht,
dass ein Volumen von Probenmaterial aus dem Reaktor entnommen und
zur Analysestation transportiert wird, wobei das Probenmaterial
eine Suspension von mechanisch empfindlichem, insbesondere scherempfindlichem
Material ist, das reduzierter mechanischer Beanspruchung insbesondere
reduzierten Scherkräften
ausgesetzt wird. Bevorzugt ist das Volumen präzis definiert und/oder aggregatfrei.
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Mechanisch
empfindliches insbesondere scherempfindliches Material im Sinne
der vorliegenden Erfindung ist insbesondere biologisches Material wie
z.B. Zellen, Bakterien, einzellige Pilze wie Hefen, Viren, Agglomerate
aus Proteinpräzipitaten,
Proteinkristalle, native Proteine, Liposomen und insbesondere lebendige
tierische und/oder pflanzliche Zellen.
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Das
Prozessanalysesystem weist üblicherweise
mindestens eine Vorrichtung zum Probenahme und Probetransport verbunden
mit mindestens einer Probenvorbereitungs- und/oder Probenanalysestation
auf.
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In
einer besonderen Ausführungsform
Prozessanalysesystem ist die Vorrichtung zur automatischen Probenahme
ein erfindungsgemäßes Probenahmeventil.
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Das
erfindungsgemäße Prozessanalysesystem
steuert üblicherweise
mindestens eine Probenanalysestation an und hat eine Anbindung an
ein Automatisierungssystem, bevorzugt an ein Prozessleitsystem oder
speicherprogrammierbare Steuerungen zur Führung, Steuerung und/oder Regelung
des Prozesses in einem Reaktor und insbesondere Bioreaktor.
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Vorzugsweise
sind die Probenahme- und Probentransportvorrichtungen, die Probenvorbereitung- sowie die Prozessanalysestation
modular aufgebaut.
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Die
Probenvorbereitungstation beinhalten üblicherweise Probenventile,
Reservoiren, Büretten, Ventile,
Ventilinseln, Dosierventile und dergleichen, die durch Transportleitungen
miteinander verbunden sind und die Behandlung der Probe in ein oder
mehreren Schritten ermöglichen.
Durch entsprechende Ansteuerung der einzelnen Module von einer Steuereinheit
wird die automatische Probenvorbereitung durchgeführt und
kontrolliert. Vorzugsweise weist das Prozessanalysesystem mindestens
eine Probenvorbereitungsstation auf. Dort werden die zur Verwendung
der Probe für
die Analyse erforderlichen Schritte durchgeführt, wie z.B. Verdünnung, Zugabe von
internem Standard, Zugabe von Stabilisatoren (z.B. Glycerin), Marker
oder Detergens, Temperierung bevor zugt Kühlung auf 4 bis 37°C, pH-Werteinstellung,
Strippen, Umpufferung, Filtration oder Derivatisierung. Diese Schritte
werden vollautomatisiert durchgeführt und mit mehreren Sensoren überwacht bzw.
gesteuert. Als Sensoren sind z.B. pH-Elektrode, Leitfähigkeitssonde,
Sensoren zur Messung der optischen Dichte, Trübung, Druck, Temperatur, Fluss
genannt.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung beinhaltet das Prozessanalysesystem und insbesondere die
Probenvorbereitungsstation einen sensorgesteuerten Test der Probe,
der untersucht, ob sich die Eigenschaften der Probe (z.B. Zelldichte)
mit dem im vorgegebenen Arbeitsablauf und insbesondere den Benutzungsanweisungen
eines benötigten
Analysators kompatibel ist. Ist z.B. die Zelldichte zu hoch, so
kann ein Analysator verstopfen. Außerdem kann die Zelldichte
außerhalb
des Messbereiches des Analysators liegen. In diesem Fall wird die
Probe sensorgesteuert so lange verdünnt, bis eine zuverlässige Quantifizierung
der Probe möglich
ist. Ist im umgekehrten Fall die Zelldichte zu niedrig für eine Quantifizierung,
so wird sensorgesteuert ein Probenaufkonzentrierungsprogramm gestartet.
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Vorzugsweise
weist die Probenvorbereitungsstation ein zentrales Sammelgefäß auf, in
dem ein Sensor zur Überwachung
der Probe integriert ist, um die Aufarbeitung der Probe in der Probenvorbereitungsstation
zu regeln und/oder zu steuern. Ist die Probe sehr verdünnt, wird
ein Aufkonzentrationsprogramm gestartet, bei zu hoher Konzentration
wird ein Verdünnungsschritt
eingeleitet. So wird verhindert, dass Messungen von Proben oder
Aliquoten durchgeführt
werden, die außerhalb
des Messbereichs, der Spezifikationen und/oder des validierten Bereichs
der Analysestation liegen.
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Vorzugsweise
kann diese Art der Probenvorbereitung dazu verwendet werden, die
Probe so vorzubereiten, dass eine exakte Analyse in einem Analysator
im empfindlichsten Messbereich durchgeführt werden kann. Dies erlaubt
eine empfindlichere Bestimmung von Parametern über eine größere Konzentrationsspanne der
Probe und somit eine verbesserte Steuerung von Bioprozessen.
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Vorzugsweise
sind die Probenahmevorrichtung sowie die Probenanalysestationen über Transportleitungen
mit den Probenvorbereitungstationen verbunden. Dadurch wird ein
modular aufgebautes und integriertes System zur Entnahme der Proben, Transport
der Proben, zur Probenvorbereitung und zur Probenanalyse geschaffen.
Dieser modulare Aufbau hat insbesondere den Vorteil, dass die automatische
Probenvorbereitung für
unterschiedliche Analysatoren ohne großen Aufwand konfigurierbar
ist.
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In
einer besonderen Ausführungsform
des Prozessanalysesystems wird die Probe in einer Aliquotierungsstation
in mehrere Aliquote aufgeteilt. Diese Aliquote durchlaufen entweder
nacheinander eine Probenvorbereitungsstation, alternativ werden sie
parallel in mehrere Probenvorbereitungsstationen transportiert und
werden dort unterschiedlich aufbereitet. In einer weiteren Ausführungs form
des Prozessanalysesystems wird die Aliquotierung nach der Probevorbereitung
wie z.B. Filtration, Dekantierung, Konzentration oder Verdünnung durchgeführt.
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Vorzugsweise
weist das Prozessanalysesystem eine zentrale Probenvorbereitungsstation
auf, die die Aliquote nacheinander durchlaufen.
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Nach
der Probenvorbereitung wird die Probe bzw. die Aliquote in die verschiedenen
Probenanalysestationen durch die Transportleitungen transportiert.
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Vorzugsweise
verfügt
das Prozessanalysesystem über
eine Selbstüberwachung,
die die Eigenschaften der Probe, bevorzugt Temperatur, Druck, pH-Wert,
Fluss, optische Dichte, Leitfähigkeit,
Trübung,
in mindestens einen den verschiedenen Module erfasst und überwacht.
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In
einer besonderen Ausführungsform
des Prozessanalysesystem s wird der Transport der Probe und insbesondere
Fluss, optischen Dichte oder Trübung
in den Transportleitungen überwacht
und kontrolliert, um eine Verstopfung der Leitungen zu verhindern.
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Vorzugsweise
ist das Prozessanalysesystem so konstruiert, dass es sich bei einem
Stromausfall oder einer Betriebsstörung in einem sicheren Zustand
fährt,
der verhindert, dass der Inhalt von angeschlossenen Bioreaktoren
kontaminiert wird.
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Die
Probenanalysestation kann verschiedene Analysatoren wie z.B. Zellzähler, Biosensoren, Spektroskopiesysteme,
Chromatographiesysteme wie HPLC-, Ionen-, Affinitäts- und/oder
Gelpermeations-Chromatographiesysteme aufweisen, die zur Untersuchung
der Probe bzw. Aliquote dienen. Die Analysenergebnisse werden über eine
speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) übertragen und beispielsweise über einen
Feldbus an eine Automatisierungseinheit (z.B. ein Prozessleitsystem) übermittelt. Dieses
kann dann den Prozess entsprechend steuern und/oder regeln. Die
Dokumentation wird gemäß den Anforderungen
der Qualitätssicherung
durchgeführt.
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In
einer besonderen Ausführungsform
des Prozessanalysesystems werden Biosensoren für die Kontrolle von Nährstoffen
und Stoffwechselprodukten wie Glukose und Laktat eingebaut.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung spiegelt sich dieser modulare Aufbau auch in dem Steuerungsprogramm
des Prozessanalysesystems wider. In der Steuereinheit des Systems ist
vorzugsweise für
jedes Modul eine Treibersoftware mit Vorortbedienung in einer dezentrale
Steuer- und Versorgungseinheit hinterlegt. Auf diese Treibersoftware
greift das Steuerungsprogramm der Automatisierungseinheit zu, um
nach einem vom Nutzer vorgegebenen Arbeitsablauf die Schritte der
sterilen Probenentnahme, der automatischen Probenvorbereitung, Analyse
und Reinigung vorzunehmen. Durch die Steuer- und Versorgungseinheit
wird die Zufuhr von Druck luft, Dampf, Reinigungsflüssigkeiten
und Transportflüssigkeiten
an das Probenahmeventil durch die Versorgungs- und Transportleitungen
gewährleistet
und geregelt.
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In
einer besonderen Ausführungsform
des Prozessanalysesystems werden mehrere Reaktoren insbesondere
Bioreaktoren angesteuert, die unabhängig von einander operieren.
Jede Probenahmevorrichtung kann dezentral über eine eigene Steuerungseinheit
und somit unabhängig
angesteuert werden. Des weiteren ist es möglich, mehrere Reaktoren, die
mit unterschiedlichen Zelllinien arbeiten und verschiedene Produkte
produzieren, mit einem einzigen Prozessanalysesystem und somit besonders kostengünstig zu
betreiben, da ein ausgeklügeltes Reinigungsmanagement
die gegenseitige Kontamination der einzelnen Reaktoren verhindert.
Das Prozessanalysesystem verfügt über eine
dezentrale Automatisierungseinheit mit Vorortbedienung an jedem Probenahmevorrichtung,
die über
alle gängigen
Bussysteme an die zentrale SPS gekoppelt sind. Damit lassen sich
problemlos einzelne Einheiten ab- und zuschalten.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird der Ablauf des Steuerungsprogramms durch vom
Nutzer definierbare Parameter festgelegt. Beispielsweise kann der
Nutzer über
eine grafische Nutzerschnittstelle eines üblichen Personalcomputers zur
Verfügung
stehende Module und von diesen auszuführende Aktionen auswählen. Dadurch
können
in tabellarischer Form Ablaufsequenzen für die Probenentnahme, Probenvorbereitung
und Probenanalyse mit Hilfe der Module definiert werden.
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Die
diesen Ablauf beschreibenden Parameter werden dann von einem PC
exportiert und an die Steuereinheit des Regelungssystems übertragen. Dort
legen diese Parameter den Programmablauf des Steuerungsprogramms
fest. Die Parameter bestimmen also die Reihenfolge in der das Steuerungsprogramm
einzelne Treiberprogramme aufruft sowie auch die Steuerungsparameter,
die das Steuerungsprogramm an die Treibersoftware übergibt,
um ein bestimmtes Modul zu einer bestimmten Aktion zu veranlassen.
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Von
besonderem Vorteil ist hierbei, dass zur Festlegung eines Programmablaufs
des Steuerungsprogramms kein Computerexperte erforderlich ist, da der
Programmablauf in intuitiver Art und Weise über die grafische Benutzerschnittstelle
durch Auswahl von Modulen und den durchzuführenden Aktionen erfolgen kann.
Insbesondere kann so ein Laborant oder Techniker die zuvor von ihm
manuell durchgeführten Schritte über die
grafische Benutzerschnittstelle beschreiben und verfolgen. Diese
Beschreibung dient dann als Parametrierung für das Steuerungsprogramm, sodass
dieses die jeweils erforderliche Treibersoftware in der benötigten Reihenfolge
anspricht.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung dient als Steuereinheit eine Automatisierungskomponente,
wie beispielsweise eine Simatic S7 der Firma Siemens AG. Eine solche
Auto matisierungskomponente ist für
den störungsfreien Dauereinsatz
in einer industriellen Umgebung ausgelegt und kann daher nicht wie
ein üblicher
PC „abstürzen". Von besonderem
Vorteil ist hierbei, dass der PC, mit Hilfe dessen der Benutzer
den Ablauf eingibt, und die Steuereinheit beim Betrieb des Systems
voneinander getrennt werden können.
D. h. nachdem die Parameter, die den Programmablauf festlegen, vom PC
an die Steuereinheit übertragen
worden sind, kann der PC von der Steuereinheit getrennt werden. Dadurch
ist ein Betrieb der Steuereinheit unabhängig vom PC möglich.
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Ein
weiteres Element des erfindungsgemäßen Prozessanalysesystem ist
die Transportvorrichtung, deren Aufgabe ist, die empfindliche Probe
eines definierten Volumens von der Probenahmevorrichtung zu der
Vorbereitung bzw. Analysestation sanft, ohne Verstopfung und verlustfrei
weiterzuleiten.
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Die
Transportvorrichtung weist üblicherweise Transportleitungen,
und mindestens ein System zu sanften Beschleunigung der Probe bzw.
Aliquote durch die Transportleitungen.
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Ebenfalls
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher eine Transportvorrichtung
zum Transport von Suspensionen enthaltend mechanisch empfindlichem
Material und insbesondere von lebendigen Zellen, umfassend Transportleitungen
und mindestens ein System zur Beschleunigung der Probe bzw. Aliquote
durch die Transportleitung aus mindestens zwei Büretten, wobei die Büretten mit
folgenden Schritten betrieben werden:
- a) eine
erste Bürette
wird aufgezogen,
- b) kurz bevor die erste Bürette
am Anschlag angekommen ist, wird eine zweite Bürette aufgezogen und übernimmt
den Transport, wobei die Probe weder eine zusätzliche Beschleunigung noch
einen kurzen Zwischenstopp erfährt,
- c) die erste Bürette
wird von den Transportleitungen abgekoppelt und wieder entspannt,
so dass sie wieder zur Verfügung
steht,
- d) Schritte a) bis c) werden wiederholt.
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Bevorzugt
werden die Büretten
mit mindestens einer Ventilinsel an die Transportleitungen verbunden,
wobei die Büretten
und Ventilinsel vom Automatisierungssystem angesteuert werden, so
dass eine exakte Einstellung der Transportgeschwindigkeit gewährleisten
wird.
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Es
wurde überraschenderweise
festgestellt, dass bei einem üblichen
Durchmesser der Transportleitung von 0,5 bis 3 mm vorzugsweise jedoch
1 bis 2 mm eine exakt eingestellten bevorzugt konstant gehaltene
Transportgeschwindigkeit von 1 bis 10 m/min vorzugsweise jedoch
auf 2,5 bis 3,5 m/min einen schonenden Probentransport von biologischem
Material und insbesondere lebendi gem Zellmaterial ermöglicht.
Erlaubte Variation der Transportgeschwindigkeit ist 30%, bevorzugt
maximal 2%.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren konnte
der Transport von biologischem Material und insbesondere von lebendigem
Zellmaterial aus mehreren Reaktoren über eine längere Strecke bei geringeren
Variation der Transportgeschwindigkeit, ohne Unterbrechung und somit
besonders schonend und verlustfrei durch die Leitungen erreicht.
Bei Suspensionen von mechanisch empfindlichem Material und insbesondere
von lebendigen Zellen ist die Einhaltung einer definierten Transportgeschwindigkeit
bevorzugt, da das Material bei zu großer Transportgeschwindigkeit
z.B. wegen Scherkräften
zerstört
wird und bei zu kleiner Transportgeschwindigkeit in der horizontal
verlegten Leitung sedimentieren könnte. Der Transport erfolgt
vorzugsweise pneumatisch oder mit Flüssigkeiten.
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In
einer besonderen Ausführungsform
gewährleisten
die Büretten
auch die Aliquotierung der Probe.
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Ist
die Analyse einer zellfreien Probe erwünscht, kann die Zellabtrennung über Filtration durch
Anpassung der Porenweite des Filters direkt am Sondenkopf des Probenahmeventils
erfolgen. Alternativ kann die Probe in der Vorbereitungsstation filtriert
oder in einem Gefäß aufgefangen
werden, um dort zu sedimentieren. Nach der Sedimentation kann aus
dem Überstand
eine zellarme Probe entnommen, filtriert und einem Analysator zugeführt werden. Eine
filterlose und somit wartungsarme Alternative ist der Probentransport
mit einer Geschwindigkeit von <1
m/min. Bei Leitungen, die länger
als 5 m sind, sedimentieren beim Transport sämtliche Zellen in der Leitung,
so dass in einem Probengefäß eine zellfreie Probe
aufgefangen werden kann, die für
eine Weiterverarbeitung nicht weiter filtriert werden muss.
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Vorzugsweise
können
die Transportleitungen temperiert werden, bevorzugt mit einem Peltier-Element, auf eine
Temperatur zwischen 0°C
und 100°C,
bevorzugt zwischen 4°C
und 37°C.
Alternativ wird eine Temperierung über eine beheizte Doppelmantelleitung
realisiert.
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Vorzugsweise
weist die Probetransportvorrichtung zwei Büretten auf, die jeweils durch
eine Ventilinsel an die Transportleitungen angebunden sind, die
wiederum an einem oder mehreren Probenahmeventil, die Vorbereitungs-
bzw. Analysestationen und Quellen für Luft bzw. Transport- und/oder Reinigungsflüssigkeiten
angebunden sind.
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Vorzugsweise
weisen die Transportleitungen mindestens eine Kontrolleinheit auf,
die insbesondere Fluss, Druck, optische Dichte oder Trübung in
den Transportleitungen überwacht
und kontrolliert, um eine Verstopfung der Leitungen zu verhindern.
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Die
Sterilität
ist für
eine zuverlässige,
länger dauernde
Fermentation von außerordentlicher
Bedeutung. Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Prozessanalysesystems besteht
darin, dass das Probenahmeventil zusammen mit dem Reaktor insbesondere Bioreaktor
autoklaviert werden kann und dessen Versorgungsleitungen durch Sterilverbindungen
verschlossen werden. Bevorzugt wird außerdem die Vorrichtung zur
Probenahme und Probetransport mit Wasserdampf, sterilisiertem Wasser
oder sterilisierenden Lösungen
gereinigt. Nach der Analyse werden üblicherweise das Probenahmeventil
und die Transportleitung bevorzugt mit Wasserdampf gespült und auf
Temperaturen üblicherweise
zwischen 100 bis 135°C
erhitzt, um eventuelle Zellreste zu entfernen und das System zu
sterilisieren und reinigen. Alternativ kann die Reinigung auch mit
sterilem Wasser oder sterilisierender Spüllösung erfolgen. Anschließend wird üblicherweise
sterile, trockene Luft durch das Probenahmeventil und die Leitung
gefördert,
um das Probentransport-System abzukühlen und zu trocknen. Vorzugsweise
weist das Probenahmeventil am hinteren Ventilinnenraum zusätzlich einen
angebrachten Hilfsstutzen auf, der zur besseren in-situ Reinigbarkeit
des Probenahmeventils dient. Durch den Hilfsstutzen kann sichergestellt
werden, dass sich keine für
die Reinigung ungünstige
Luftblase und damit ein Totraum im oberen Teil des hinteren Ventilinnenraums
bildet.
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Nach
dem Transport der Probe und deren Analyse und Dokumentation werden üblicherweise die
Vorrichtung zur Probenahme und Probentransport und insbesondere
das Probennahmeventil und Transportleitung gründlich mit Clean-in-place-Medien
gereinigt und mit steriler Luft getrocknet. Wichtig ist ein ausreichendes
Nachspülen
mit entmineralisiertem Wasser beim letzten Clean-in-place- bzw. Sterilisation-in-place-Reinigungsgang,
um einer Belagbildung auf den produktberührten Flächen beim anschließenden Trocknungsprozess
vorzubeugen.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
eine vollautomatisierte Probenanalyse inklusive steriler Probenahme,
-transport, -vorbereitung und -analyse unter Sterilbedingungen mit
Integration der gewonnenen Analysenwerte durch direkte Anbindung
an ein Prozessleitsystem und/oder eine SPS zur Regelung und Steuerung
des Prozesses. Insbesondere werden die Entnahme kleiner, definierter
Probevolumen und schonender Transport insbesondere von zellenhaltigen
Proben, ggf. Zellseparation und Flüssigprobenvorbereitung und
-analyse gewährleistet. Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
eine flexible Gestaltung der Arbeitsabläufe und eine automatische Anpassung
der Probenvorbereitung bzw. Aliquotierung an die Anforderungen sowohl
der Arbeitabläufe als
auch an die im System verfügbaren
Analysatoren.
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Ein
großer
Vorteil des hier beschriebenen Prozessanalysensystems für Bioprozesse
besteht außerdem
darin, dass mehrere Bioreaktoren angesteuert werden können, die
unabhängig
voneinander operieren. Jedes Ventil kann dezentral und somit unabhängig angesteuert
werden. Des Weiteren ist es vorstellbar, mehrere Reaktoren, die
mit unterschiedlichen Zelllinien arbeiten und verschiedene Produkte produzieren,
mit einem einzigen Prozessanalysesystem und somit besonders kostengünstig zu
betreiben, da ein ausgeklügeltes
Reinigungsmanagement die gegenseitige Kontamination der einzelnen
Bioreaktoren verhindert.
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Dies
ist eine deutlich kostengünstigere,
flexiblere und sicherere Alternative zu den bisher sich auf dem
Markt befindlichen Systemen, da in einer zentralen „Intelligenz" verschiedene Proben
von mehreren Bioreaktoren gesammelt, verarbeitet und ausgewertet
werden, und nicht für
jeden einzelnen Bioreaktor ein teures Analysensystem zur Verfügung gestellt
werden muss. Zudem ist durch integrierte Automatisierungseinheiten
die Regelung und Steuerung von Bioprozessen möglich.
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Abbildungen:
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Folgende
Abbildungen illustrieren die Erfindung ohne sie zu begrenzen.
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1a:
Probenahmeventil in geöffnetem
Zustand an einem Bioreaktor
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1b:
Probenahmeventil in geschlossenem Zustand an einem Bioreaktor
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2:
Seitenansicht des Probenahmeventils im geöffneten Zustand
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3a:
abwärts
geneigter Einbau des Probenahmeventils
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3b:
waagrechter Einbau des Probenahmeventils mit gegen die Stutzenachse
geneigter Probenkammer
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3c:
90° abwärts geneigter
Einbau des Probenahmeventils
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4:
Anschluss mehrerer Bioreaktoren an eine zentrale Analysenstation
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5:
Probentransport, -vorbereitung und -analyse sowie Steuerung und
Regelung eines Bioprozesses
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6:
Ablaufschema
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1a zeigt
das in einen Bioreaktor (1) eingebaute geöffnete Probenahmeventil
(2) mit einer Probenkammer (3) definierten Volumens,
in die die Probe bei Ventilöffnung
zunächst
einströmt.
Das hintere Dichtelement (17) begrenzt das Volumen der Probenahme
und ermöglicht
die Entnahme eines kleinen, definierten Volumens. Das vordere Dichtelement
(16) verhindert, dass weitere Flüssigkeit aus dem Bioreaktor
in das Probenahmeventil strömen kann.
Nach dem Schließen
des Ventils (1b) wird der Weg zu einer angeschlossenen
Transportleitung (4) freigegeben. Die Probe wird anschließend als weitgehend
zusammenhängender
Pfropfen (6) zum Zielort (7), einer zentralen
Probenvorbereitungs- und/oder -analysestation, transportiert. Die
bevorzugte Verwendung zweier Büretten
(8) erlaubt durch geeignetes Zusammenspiel eine kontinuierliche Transportgeschwindigkeit
und somit besonders schonenden und verlustfreien Transport durch
die Leitung. Die Zellsuspension wird in einem Probengefäß gesammelt.
Anschließend
erfolgen dort die verschiedenen Maßnahmen zur Probenanalyse (10), wie
z.B. die Aliquotierung, die Zellseparation, die Anwendung verschiedener
Analyseverfahren oder das Verschließen, Kennzeichnen und Einfrieren
der Rückstellproben
(9). Nach Abfrage der Messergebnisse erfolgt schließlich eine
der Qualitätssicherung gerechten
Datenausgabe und Datenbankablage in einem Rechnersystem (12).
Dann werden die Analyseergebnisse an ein Automatisierungssystem
(13) übergeben.
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Wie
an dem Ausführungsbeispiel
in 2 gezeigt, wird das Probenahmeventil (2)
analog zu Standardsonden mit Hilfe einer Verschraubung (27) in
genormte Fermenterstutzen (14) mit dem Durchmesser von
DN25 eingebaut. Die Abdichtung des Probenahmeventils (2)
innerhalb des Stutzens erfolgt über
eine Abdichtvorrichtung (29), bevorzugt ein so genannter
O-Ring. Das Probenahmeventil (2) ist im energielosen Zustand
zum Reaktorraum mit einem abdichtenden, hinteren Dichtelement (16)
geschlossen. Die Verschlusskraft wird durch Vorspannung der Feder
(15), bevorzugt einer Spiralfeder, von der Druckplatte
(21) über
die Verbindungsstange (18) auf das hintere Dichtelement
(17) übertragen.
Das hintere Dichtelement (17) dichtet über Flächenpressung mittels einer
Abdichtvorrichtung (30), bevorzugt eines O-Rings, gegen
den Ventilschaft (42) ab. Bei einer Öffnung des Ventils durch Betätigung des
autoklavierbaren Hubzylinders (22) wird eine gegen die Rückstellkraft
der Feder (15) gerichtete Druckkraft auf die Führungsstange
(18) übertragen.
Auf dieser Führungsstange
(18) ist eine Membran (19) angebracht, welche
zwischen zwei Halteplatten (20) eingequetscht ist. Die
Druckkraft auf die Führungsstange
führt zur
Auslenkung der Membran (19), die die Probenkammer (3)
und den hinteren Ventilinnenraum (36) hermetisch gegen
die Umgebung abdichtet. Gleichzeitig werden das vordere Dichtelement
(16) in Richtung des Innenraums des Bioreaktors geöffnet und
das hintere Dichtelement (17) gegen die zylindrische Probenkammer
(3) verschlossen und durch eine Abdichtvorrichtung (40)
abgedichtet. In diesem geöffneten
Ventilzustand entweicht die in der Probenkammer (3) eingeschlossene
Luftblase in den Bioreaktor (1), wobei eine Probe definierten
Volumens aus dem Bioreaktor in die Probenkammer (3) einströmt. Am Sondenkopf
(32) wird das Probenahmeventil von einem selbst reinigenden
Filter (39) geschützt,
so dass keine größeren Aggregate
in die Probenkammer (3) und in die Transportleitung (4)
gelangen können.
Dieser Filter (39) umgibt einen Teil des Sondenkopfs und
verhindert, dass Aggregate ins Ventil gelangen. Die Weite der Poren
(43) des Filters beträgt dabei
0,5 mm bis 2 mm, bevorzugt 1 mm. Zur Entnahme zellfreier Proben
kann eine Filterfläche
mit einer Porenweite von 0,02–2 μm, bevorzugt
0,45 μm eingesetzt
werden. Eine Kappe (41) ist im geöffneten Zustand in Richtung
des Fermenters herausgefahren, so sich ein geöffneter Bereich bildet. Einige
Poren (43) sind als weiße Kästchen dargestellt, durch die
aus allen Richtungen eine Probe in das Ventil gelangen kann. Nach
Entlasten des Hubzylinders (22) über eine Ansteuerung (33),
welche pneumatisch erfolgt, schließt das Ventil. Dabei wird die
Kappe (41) in Richtung des Ventils bewegt und füllt von
innen den Hohlraum des Filters (39), d. h. die Poren (43)
sind durch die Kappe (41) von innen verschlossen. Zur sicheren
Positionierung der Dichtflächen
dient die auf der Verbindungswelle montierte Führung (34). Zum Probentransport
wird Gas bzw. Flüssigkeit über die Zugabeöffnung (24)
und einen Zulaufkanal (31) eingeleitet und verdrängt dabei
langsam die Probe aus der Probenkammer (3) in den hinteren
Ventilinnenraum (36) und zum Ablaufstutzen (25).
Die Zugabeöffnung
wird über
ein Ventil (35), bevorzugt ein Rückschlagventil, geschützt. Der
am hinteren Ventilinnenraum (36) zusätzlich angebrachte Hilfsstutzen
(26) dient der besseren in-situ Reinigbarkeit. Der hintere Ventilinnenraum
(36) besitzt zur Verringerung der Membranbelastung einen
gegenüber
der Probenkammer (3) einen vergrößerten Durchmesser. Durch den
Hilfsstutzen (26) wird sichergestellt, dass sich keine
für die
Reinigung ungünstige
Luftblase und damit ein Totraum im oberen Teil des hinteren Ventilinnenraums
(36) bilden. Zum Probentransport wird die Probe unter Gasdruck
bzw. mit einer Flüssigkeit über einen
Ablaufstutzen (25) in die Transportleitung (4) geleitet.
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3a zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform
mit abwärts
geneigtem Einbau des Probenahmeventils (2) an die Bioreaktorwand.
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3b zeigt
eine weitere bevorzugte Ausführungsform
des Ventils, wobei die zylindrische Probenkammer (3) selbst
gegen die Stutzenachse geneigt angebracht wird.
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3c zeigt
eine weitere bevorzugte Ausführungsform
des Ventils mit einem 90° abwärts geneigtem
Einbau des Probenahmeventils (2) an der Bioreaktorwand.
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4 zeigt
eine Möglichkeit
der Ankopplung des Probenahmeventils an das Leitungssystem, bestehend
aus Versorgungs-, Reinigungs- und Transportleitung durch autoklavier-
und dampfsterilisierbare Schnellverschlusskupplungen (37),
die im entkoppelten Zustand über
einen Schließmechanismus
verfügen,
der die sterilen Innenflächen
der beiden Kupplungsstücke
(38) vor Kontamination schützt. Die Probe wird in eine
zentrale Probenvorbereitungs- und/oder Probenanalysestation (7)
transportiert. Außerdem
können
mehrere Bioreaktoren angesteuert werden können, die un abhängig von
einander operieren. Jedes Ventil kann dezentral und somit unabhängig angesteuert
werden.
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5 zeigt
eine zentrale Probenvorbereitungs- und/oder Probenanalysestation,
aus Gründen der Übersichtlichkeit
nur mit einem Probenahmesystem (45). Versorgungsleitungen
sind als durchgezogene Linien, Ansteuerung von Komponenten ist mit gestrichelten
Linien dargestellt. Die Pfeile auf diesen Linien geben dabei die
Richtung der Kommunikation an. Das Prozessanalysesystem verfügt über eine
dezentrale Steuer- und Versorgungseinheit (46) mit dezentraler
Vorortbedienung (47) an jedem Probenahmesystem. Diese kommuniziert über eine
zentrale Automatisierungseinheit (48). Die dezentrale Steuer- und
Versorgungseinheit (46) regelt die Zufuhr von Druckluft,
Dampf, Reinigungsflüssigkeiten
und Transportflüssigkeiten.
In der Transportleitung zwischen dem Probenahmesystem (2)
und einem Dreiwegehahn (44) ist eine Kontrolleinheit (49)
integriert. Der Dreiwegehahn (44) erlaubt eine manuelle
Probenentnahme (50). Zwei Büretten (51, 52)
werden vom Automatisierungssystem angesteuert, um den Transport
und die Aliquotierung (70) der Probe zu gewährleisten.
Die Probe wird in ein zentrales Sammelgefäß (53) transportiert.
Dort charakterisiert eine Sonde (54) die Probe, ein Rührer (55)
ist zusätzlich integriert.
Es wird ein Signal an das Automatisierungssystem übertragen,
um zu entscheiden, ob die Probe für eine weitere Aufarbeitung
verdünnt,
aufkonzentriert oder unbehandelt weiter verwendet werden kann. Aus
dem Sammelgefäß heraus
wird die Probe auf verschiedene Analysatoren verteilt: eine unfiltrierte
Probe wird in ein Zellzahlbestimmungsgerät (56) oder in Analysator
1 (57) untersucht. Ein anderer Teil der Probe durchläuft einen
Filter (62) und wird auf Analysator 2 (58), eine
Chromatographie (59) und/oder an einen Biosensor (60)
verteilt. Alle Analysatoren (56–60) sind an ein Abfallgefäß (61)
angeschlossen, die Anbindung ist Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
Analysatoren sind in ihrer Anzahl und Anordnung beliebig kombinierbar. Sind
für verschiedene
Analysatoren unterschiedliche Vorbereitungsschritte nötig, so
kann die Probe im zentralen Sammelgefäß (53) für jeden
einzelnen Analysator entsprechend vorbereitet werden. Alle Messwerte
werden an das Automatisierungssystem übergeben, um den Bioprozess
zu regeln und/oder steuern. Alle Proben werden in einem Abfallgefäß (61)
gesammelt.
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6 zeigt
ein Flussdiagramm. Nach der Probenentnahme aus dem Bioreaktor wird
die gesamte Probe schonend in ein zentrales Sammelgefäß transportiert.
In einer Voruntersuchung charakterisiert ein Sensor die Probe. Bei
einer zu hohen Konzentration wird ein sensorgesteuertes Probenverdünnungsprogramm
gestartet. Dies wird so lange wiederholt, bis die Probe sich im
gewünschten
Konzentrationsbereich befindet. Danach wird das Probenvorbereitungsprogramm
gestartet und die Probe in den verschiedenen Analysatoren gemessen.
Die Analysenergebnisse werden an ein Prozessleitsystem übergeben.
Nach Abschluss aller Messungen werden die Dampfsterilisation und die
Reinigung des Ventils und der Leitungen gestartet. Das Prozessleitsystem
verwendet die Analysenergebnisse zur Nachregelung des Prozesses.
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Beispiel:
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Folgendes
Beispiel belegt die Anwendbarkeit des erfindungsgemäßen Probeanalysesystems ohne
das System auf diese Anwendung zu begrenzen.
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Aus
einem Bioreaktor wurde mit Hilfe des erfindungsgemäßen Probeventils
eine 12 ml Probe von SF9-Insektenzellen entnommen und durch einen Schlauch
(1,5 mm Innendurchmesser, 10 m Länge) mit
einer Geschwindigkeit von 3 m/min in dem Probeanalysesystems nach 5 transportiert.
Eine Probe wurde per Hand aus dem Bioreaktor entnommen und vermessen,
eine Probe wurde mit dem Probenahmeventil entnommen, von der Probetransportvorrichtung
in transportiert und vermessen. Mit Hilfe des Analysators CEDEX
(Firma Innovatis) wurde dort ermittelt, dass der Anteil der lebenden
zu abgestorbenen Zellen vor und nach dem Transport gleich war. Darüber hinaus
wurde in der Zellbestimmungsstation (56) mit dem Hilfe
des Analysators CEDEX festgestellt, dass der Wiederfindungsrate
der Zellen >90% betrug.
Hiermit wurde die Anwendbarkeit des erfindungsgemäßen Probeanalysesystems
zur Entnahme und Transport von lebendigen Zellen bewiesen.
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- 1
- Bioreaktor
- 2
- Probenahmeventil
- 3
- Probenkammer
- 4
- Transportleitung
- 5
- moderater
Gasdruck
- 6
- zusammenhängender
Pfropfen
- 7
- Zielort
- 8
- Bürette
- 9
- Rückstellproben
- 10
- Probenanalyse
- 11
- Datenausgabe
und Datenbankablage
- 12
- Rechnersystem
- 13
- Automatisierungssystem
- 14
- genormter
Fermenterstutzen
- 15
- Feder
- 16
- vorderes
Dichtelement
- 17
- hinteres
Dichtelement
- 18
- Verbindungswelle
- 19
- Membran
- 20
- Halteplatte
- 21
- Druckplatte
- 22
- Hubzylinder
- 23
- Abdichtvorrichtung
- 24
- Zugabeöffnung
- 25
- Ablaufstutzen
- 26
- Hilfsstutzen
- 27
- Verschraubung
- 28
- Abdichtvorrichtung
- 29
- Abdichtvorrichtung
- 30
- Abdichtvorrichtung
- 31
- Zulaufkanal
- 32
- Sondenkopf
- 33
- Ansteuerung
- 34
- auf
Verbindungswelle montierte Führung
- 35
- Ventil
- 36
- hinterer
Ventilinnenraum
- 37
- Schnellverschlusskupplung
- 38
- Kupplungsstücke
- 39
- Filter
- 40
- Abdichtvorrichtung
- 41
- Kappe
- 42
- Ventilschaft
- 43
- Poren
- 44
- Dreiwegehahn
- 45
- Probenahmeventil
- 46
- dezentrale
Steuer- und Versorgungseinheit
- 47
- dezentrale
Vor-Ort-Steuerung der Handprobe
- 48
- zentrale
Automatisierungseinheit
- 49
- Kontrolleinheit
- 50
- Handprobe
- 51
- Bürette 1
- 52
- Bürette 2
- 53
- zentrales
Sammelgefäß
- 54
- Sonde
- 55
- Rührer
- 56
- Zellzahlbestimmungsgerät
- 57
- Analysator
1
- 58
- Analysator
2
- 59
- Chromatographiesystem
- 60
- Biosensor
- 61
- Abfallgefäß
- 62
- Filter
- 63
- Druckluft
- 64
- Wasser
- 65
- Reinigungsmedium
- 66
- Transportmedium
- 67
- Dampferzeuger
- 68
- Ventil
- 69
- Ventil
- 70
- Aliquotierung